한국연구재단은 포항공과대학교 이장식 교수 연구팀이 할로겐화물 페로브스카이트를 이용해 초고속으로 동작할 수 있는 차세대 메모리인 저항변화메모리 소자를 개발했다고 13일 밝혔다.
저항변화메모리는 전원이 꺼지더라도 저장된 정보가 그대로 유지되는 비휘발성 메모리 소자의 일종으로 전압에 따라 저항변화층의 저항 상태가 고저항 상태에서 저 저항상태로, 또는 저저항 상태에서 고저항 상태로 바뀌는 현상을 이용한 메모리 소자이다.
엄청난 양의 다양한 정보의 교환이 활발해지고 인공지능, 자율주행자동차, 사물인터넷, 5G 등 4차 산업혁명 시대의 신기술의 등장으로 대용량 정보를 빠른 속도로 처리하고 저장할 수 있는 차세대 메모리 소자에 대한 연구가 필요하다.
할로겐화물 페로브스카이트 소재는 저항변화 특성을 제어할 수 있어 차세대 메모리 소자를 위한 신소재로 연구돼 왔으나 느린 동작 속도가 실용화에 한계점으로 지목되어 왔다.
이장식 교수 주도로 이동화 교수와의 공동 연구를 진행해 제일원리계산과 실험적 검증을 통한 초고속 동작이 가능한 할로겐화물 페로브스카이트 소재를 설계했고 이를 저항변화메모리 소자로 적용 가능한 기술을 개발했다.
제일원리 계산은 양자역학 이론에 기반해 소재의 특성 및 현상을 이해하고 예측하기 위한 방법으로 경험적인 값에 영향을 받지 않고 양자역학적 해석에 기반해 원자들 사이의 상호작용을 정확히 기술하기 때문에 높은 예측력을 가지는 것이다.
제일원리 계산기법을 적용해 다양한 구조를 갖는 할로겐화물 페로브스카이트 물질들의 물성을 비교했다.
계산을 통해 다이머 구조의 Cs3Sb2I9(dimer-Cs3Sb2I9) 할로겐화물 페로브스카이트 소재의 경우 기존 페로브스카이트 소재들보다 빠른 속도의 동작 가능성을 찾아냈다.
실험적 검증을 위해 선정된 소재인 무기물 기반 할로겐화물 페로브스카이트 Cs3Sb2I9 (dimer-Cs3Sb2I9)를 합성했고, 이를 메모리 소자에 적용했다.
개발된 메모리 소자는 20 ns (1 ns = 10억분의 1초)의 동작 속도를 보였다.
같은 조성의 다른 결정구조를 갖는 층상구조의 Cs3Sb2I9(layer-Cs3Sb2I9)를 사용한 메모리 소자에 비해 100배 이상의 빠른 속도로 동작하는 우수한 특성을 보였다.
이 연구에서 개발된 할로겐화물 페로브스카이트 물질 기반 메모리 소자는 빠른 동작 속도를 가지고 있어 향후 고속 처리능력을 필요로 하는 인공지능, 슈퍼컴퓨터 등의 다양한 전자기기들에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
또 기존 페로브스카이트 소재에서 문제로 제기됐던 납(Pb)이 포함되지 않은 소재를 이용해 메모리 소자를 제작하였기 때문에 환경오염 등의 문제를 해결했다.
이번 연구 성과는 국제학술지‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 6월 10일 (온라인) 게재됐다.
